能量收集意味著什么？

　　能量收集系統(tǒng)的終端往往是毫微功率轉(zhuǎn)換的需求。大多數(shù)情況下，會(huì)采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補(bǔ)充環(huán)境能源，如果環(huán)境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。

　　能量收集 WSN

　　我們周圍有豐富的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。不過(guò)，新的收集工具允許我們利用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是“平均收集到”可用來(lái)給電路供電的能量之多少。例如，熱電發(fā)生器將熱 (或冷) 轉(zhuǎn)換成電，壓電組件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng)，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)換潮氣為能量。這使得有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲(chǔ)器件供電，這樣就能給地處偏僻的微處理器或發(fā)送器供電，而無(wú)需本地電源。

　　一般而言，在非傳統(tǒng)能源市場(chǎng)使用的 IC 必須具備的性能特點(diǎn)如下：

　　● 很小的備用靜態(tài)電流：一般情況下低于6µA，最低可低至 450nA。

　　● 很低的啟動(dòng)電壓：低至 20mV。

　　● 很強(qiáng)的輸入電壓能力：高達(dá) 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓。

　　● 能夠處理 AC 輸入。

　　● 多輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理。

　　● 自動(dòng)極性工作。

　　● 面向太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)。

　　● 能夠從低至1℃的溫度變化中收集能量。

　　● 外部組件最少和占板面積緊湊的解決方案。

　　WSN(無(wú)線傳感網(wǎng))基本上是自含式系統(tǒng)，由某種換能器組成，以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其后通常跟隨的是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件通常由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

　　在嘗試實(shí)現(xiàn) WSN 時(shí)，一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是：需要多少功率才能使該 WSN 運(yùn)行? 理論上，這個(gè)問(wèn)題似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單;然而，現(xiàn)實(shí)情況是，由于一些因素使這問(wèn)題有點(diǎn)難以回答。例如，獲取讀數(shù)的頻度有多高?或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包會(huì)有多大?數(shù)據(jù)需要傳送多遠(yuǎn)?這是因?yàn)?，就獲取一次傳感器讀數(shù)而言，收發(fā)器大約消耗系統(tǒng)所用能量的 50%。有幾種因素會(huì)影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見(jiàn)表 1。

　　當(dāng)然，能量收集能源提供的能量取決于該能源能存在多長(zhǎng)時(shí)間。因此，比較能量收集能源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。收集能量時(shí)一般會(huì)遇到很小、可變和不可預(yù)測(cè)的可用功率，因此常常采用混合結(jié)構(gòu)，即連接收集器和輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)的結(jié)構(gòu)。收集器由于能量供應(yīng)無(wú)限 (但功率不足) 而成為系統(tǒng)的能源。輔助電力儲(chǔ)存庫(kù) (或者是電池或者是電容器) 能產(chǎn)生更高的輸出功率，但是存儲(chǔ)的能量較少，從而在需要時(shí)供電，否則定期接收來(lái)自收集器的電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能源可供收集能量的情況下，必須用輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的角度看，這進(jìn)一步增大了復(fù)雜程度，因?yàn)樗麄儽仨毧紤]，輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)必須存儲(chǔ)多少能量才能補(bǔ)償環(huán)境能源的不足。而僅是需要儲(chǔ)存多少能量這個(gè)問(wèn)題，就取決于幾種因素，包括：

　　● 在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有環(huán)境能源可用;

　　● WSN 的占空比 (即必須讀取和傳輸數(shù)據(jù)的頻度);

　　● 輔助存儲(chǔ)庫(kù) (電容器、超級(jí)電容器或電池) 的大小和類型;

　　● 是否有足夠的環(huán)境能源可用，既能充當(dāng)主能源，又有充足的能量余留下來(lái)，以當(dāng)主電源在一段時(shí)間內(nèi)不可用時(shí)，給輔助存儲(chǔ)庫(kù)充電。

　　環(huán)境能源包括光、熱量差、振動(dòng)波束、所發(fā)送的 RF 信號(hào)或者其他任何能夠通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。表 2 說(shuō)明了不同能源能夠產(chǎn)生之能量的多少。

　　在很多應(yīng)用中，這樣的功率值對(duì)系統(tǒng)部署都是有意義的。例如，汽車調(diào)光窗、橋梁監(jiān)視器、樓宇自動(dòng)化、電量計(jì)、氣體傳感器、健康監(jiān)視器、HVAC 控制、電燈開(kāi)關(guān)、遠(yuǎn)程管道監(jiān)視器、水表。

　　毫微功率 IC 解決方案

　　顯然，WSN 只有非常少的能量可用。這又意味著，系統(tǒng)中所用組件必須能夠應(yīng)對(duì)這么低的功率水平。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在電源轉(zhuǎn)換方面，仍然存在空白。不過(guò)，專門為了滿足這種需求，凌力爾特推出了 LTC3330。

　　LTC3330 是一款完整的可調(diào)節(jié)能量收集解決方案，在可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá) 125mA 的連續(xù)輸出電流，以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件無(wú)需電池提供電源電流，而在無(wú)負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅吸取 750nA 電流。LTC3330 集成了一個(gè)高壓能量收集電源，當(dāng)用主電池供電時(shí)，還有一個(gè)同步降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器，這樣就可為能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷的輸出，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那些能量收集應(yīng)用。